船舶用风光互补发电控制装置 【技术领域】
本发明涉及一种船舶用风光互补发电控制装置，是一种适合船舶特点的自动最大功率跟踪、抗干扰能力强、超低功耗、工作稳定、适应各种高温度、高湿度、强噪声、强震动等环境，属于船舶风光互补发电控制技术。
背景技术
现有的船舶大多采用单独的风力发电或风柴互补的发电方式为船舶提供日常生活用电，没有充分发挥风光互补发电的优势，太阳能与风能在时间和地域上有很强的互补性，且风电的单位发电成本低于光伏发电，因此，风光互补能够降低系统的总成本。在船用风光互补发电系统的实际设计中，要求系统成本低、体积小、效率高、可靠性好。由于船用供电系统中电压变化幅度大，尤其风力机输出电压不稳定，转速变化幅度太大，风大时反而蓄电池充不满；阴雨天气或光线弱时太阳电池充不了蓄电池；船舶在航行过程中，由于河道的走向的变化，船所在地域的变更，风向和阳光的照射角度变化更大，给充分利用风电和光电带来一定的难度。目前市场上销售的风光互补发电控制器基本上都是通用型的，没有根据船舶在河道中航线的变化带来的一系列问题特点，不能发挥太阳能电池和风力发电机的最大效率，
【发明内容】
本发明的目的是针对现有市场上销售的风光互补发电控制器不能适应船舶在河道中航线的变化带来的一系列问题，存在不能发挥太阳能电池和风力发电机的最大效率的不足，提供可根据航道和实地的太阳辐射及风的情况，实现过充、过放、过载等一系列的保护和报警功能；实现最大功率的跟踪；实现风光最佳互补状态的抗干扰能力强、性能可靠的一种船舶用风光互补发电控制装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种船舶用风光互补发电控制装置，包括壳体，壳体内设置的主电路、采集控制电路和检测控制器单元；主电路包括防太阳能电池反充电路、防风机反充电路、风机卸荷电路、充电控制电子开关电路、最大功率跟踪电路、防蓄电池反接电路、放电控制电子开关电路；采集控制电路包括光伏电池电流电压传感器、风机电流电压传感器、蓄电池电流电压传感器、辐射传感器、风速传感器、温度传感器，及其各种传感器相应连接的调理电路，驱动充放电的电子开关驱动电路，其特征是所述的检测控制器单元由ARM控制器LPC213X及其外围电路组成；所述的风机卸荷电路由若干路并联的开关MOS管组成的电路构成；所述的最大功率跟踪电路由开关MOS管连接的DC/DC变换电路构成。
防太阳能电池反充电路设置在太阳能电池输出端与充电控制电子开关电路的输入端间，防太阳能电池防反充电路由若干并联的二极管组成，各二极管采用MUR3020。
防风机反充电路设置在风力发电机的整流输出端与充电控制电子开关电路的输入端间，防风机反充电路由若干并联的二极管组成，各二极管采用MUR3020。
风机卸荷电路由Q2、Q4、Q5、Q7开关MOS管IRFP054及外围电阻R5、R6、R9、R11、R13、R14、R17、R19组成，其驱动电路由U1(TLP250)、U2(TLP250)和Q1(9013)、Q3(9013)及其外围电路组成，控制卸荷电阻R8的投切。
最大功率跟踪电路由开关MOS管IRF4905、二极管D5和电感L1组成DC/DC变换电路，按照ARM控制器的输出改变IRF4905的占空比，调节太阳能电池的工作点，达到最大功率跟踪功能。
一种船舶用风光互补发电控制装置的主程序，包括系统初始化，其特征是，所述的主程序在系统初始化后还依次包括采样及A/D转换、数字滤波、电池电压充放分析、风机卸荷控制、浮充电压判断、最大功率跟踪计算、PWM控制、显示刷新和下一控制周期判断。
所述电池电压充放分析中若电池电压小于过放电压，进入切断负载；若电池电压大于过充电压，进入断开充电开关；上述切断负载、断开充电开关后进入PWM控制的输出。
所述浮充电压判断中若电池电压大于浮充电压，进入浮充恒流控制，浮充恒流控制后进入最大功率跟踪计算的输出。
所述采样及A/D转换包括选择通道、启动A/D转换、延时、读取A/D数据、结果修正、存放结果，在所有通道转换完进入开始。
本发明通过设置ARM控制器LPC213X及其外围电路组成的检测控制器单元，通过辐射传感器、风速传感器、温度传感器等传感器件获取信息，在主程序的支持下，获得安装点的气候数据和负载容量后，通过选择不同的系统部件组合方式确定系统容量，然后使用ARM嵌入式技术集中控制解决船舶在河道中航线地变化带来的一系列问题，有效发挥太阳能电池和风力发电机的最大效率，并同时完成对风力机和太阳电池组件的充电、放电，蓄电池组的过充电和过放电等功能的智能化控制和管理，同时选择在给定系统容量下的最优运行方案。
【附图说明】
图1为本发明电路框图；
图2为本发明中主电路和采集控制电路图；
图3为本发明中检测控制单元及外围电路图；
图4为本发明中的主程序框图；
图5为本发明中的A/D转换框图；
图中，1光伏电池，2风力发电机，3光伏电池电流电压传感器，4风机电流电压传感器，5防太阳能电池反充电路，6防风机反充电路，7风机卸荷电路，8充电控制电子开关电路，9最大功率跟踪电路，10蓄电池防反接电路，11蓄电池，12放电控制电子开关电路，13负载，14蓄电池电流电压传感器，15辐射传感器，16风速传感器，17温度传感器，18多种信号调理电路，19驱动电路，20检测控制器单元。
【具体实施方式】
结合附图和实施例进一步说明本发明，如图1所示，本发明壳体内设置的主电路、采集控制电路和检测控制器单元20构成；主电路包括防太阳能电池反充电路5、防风机反充电路6、风机卸荷电路7、充电控制电子开关电路8、最大功率跟踪电路9、防蓄电池反接电路10、放电控制电子开关电路12；采集控制电路包括光伏电池电流电压传感器3、风机电流电压传感器4、蓄电池电流电压传感器14、辐射传感器15、风速传感器16、温度传感器17，及其各种传感器相应连接的调理电路18，驱动充放电的电子开关驱动电路19，主电路中光伏电池1将太阳能转换为电能、经防太阳能电池反充电路5输出到充电控制开关电路8，同时风力发电机2将风能转换为电能、经防风机反充电路6输出到充电控制开关电路8，经过最大功率跟踪电路9、蓄电池防反接电路10对蓄电池11进行充电，经过放电控制开关12对负载进行放电。采集控制电路中光伏电池电流电压传感器3、风机电流电压传感器4、蓄电池电流电压传感器14、辐射传感器15、风速传感器16、温度传感器17将各自采集信号输入到不同的信号调理电路18处理后，输出到检测控制单元20，检测控制器单元20由ARM控制器LPC213X及其外围电路组成，检测控制单元20对检测的信息进行处理，根据控制逻辑关系输出控制信号给驱动电路19，控制蓄电池11的充放电，实现各种控制和保护功能。
如图2所示，在光伏电池1输出端与充电控制电子开关电路8的输入端接入防太阳能电池反充电路5，防太阳能电池反充电路5由若干并联的二极管D2组成，各二极管D2可采用MUR3020，其作用是防止夜间或阴天下雨没有输出时，反向对光伏电池充电。
如图2所示，在风机2的整流输出端与充电控制电子开关电路8的输入端接入风机防反充电路6，风机防反充电路6由若干并联的二极管D3组成，各二极管D3可采用MUR3020，其作用是防止风机没有输出时反向充电。
如图2所示，风机卸荷电路7由Q2、Q4、Q5、Q7开关MOS管及外围器件R5、R6、R9、R11、R13、R14、R17、R19组成，开关MOS管可采用IRFP054，如图3所示，其驱动电路由U1(TLP250)、U2(TLP250)和Q1(9013)、Q3(9013)及其外围电路组成，其作用是控制卸荷电阻R8的投切。
如图2所示，充电控制电子开关电路8由开关MOS管Q6及外围器件R15、D4、R16组成，开关MOS管可采用IRF4905，如图3所示，其驱动电路由U3(TLP250)和Q9(9013)及其外围电路组成，其作用是控制对蓄电池的充电。
如图2所示，最大功率跟踪电路9由开关MOS管Q6、二极管D5和电感L1组成DC/DC变换电路。开关MOS管采用IRF4905，二极管D5采用10A的管子，电感L1采用磁环电感；其作用是按照ARM控制器的输出改变Q6的占空比，调节太阳能电池的工作点，达到最大功率跟踪功能。
如图2所示，防蓄电池反接电路10由二极管D6及熔丝构成，二极管D6采用10A的管子，其作用是在蓄电池极性接反时，烧断熔丝，断开蓄电池回路。
如图2所示，放电电路12由开关MOS管Q10及其外围器件R26、R27组成，开关MOS管采用IRFP054N，其驱动电路由U4(TLP250)和Q8(9013)及其外围电路组成，其作用是控制蓄电池放电。
如图2所示，光伏电池电流取样电路3采用锰铜丝制作的0.02Ω60A的电阻R2，它将电流信号转换为电压信号经放大器U6B及其外围电路放大处理后输入A/D转换器。
如图3所示，光伏电池电压取样电路3采用由R5和R6组成的分压电路获取满足A/D转换要求的电压，并采用稳压二极管D1和电容C23组成保护滤波电路。
如图3所示，风机电压取样电路4采用由R9和R10组成的分压电路获取满足A/D转换要求的电压，并采用稳压二极管D2和电容C24组成保护滤波电路。
如图3所示，蓄电池电压电流传感器由电压采样电路R11、R12、D3、C25构成，电流采样电阻R25，它将电流信号转换为电压信号经放大器U6A及其外围电路放大处理后输入A/D转换器，其作用是通过分流和分压的方法得到蓄电池的电流和电压值。
如图2所示，辐射传感器15、风速传感器16、温度传感器17及信号调理电路18由相应的电路组成，其作用是获取相应的信号，为蓄电池的充放电提供判断的依据。
如图3所示，检测控制器单元20由ARM控制器LPC213X及其外围电路组成。其作用是根据各个传感器采集的信息，按照一定的逻辑关系及控制算法控制蓄电池的充放电，实现保护等一系列功能。
如图4所示，本发明主程序包括系统初始化，其特征是，所述的主程序在系统初始化后还依次包括采样及A/D转换、数字滤波、电池电压充放分析、风机卸荷控制、浮充电压判断、最大功率跟踪计算、PWM控制、显示刷新和下一控制周期判断。
如图5所示，采样及A/D转换包括选择通道、启动A/D转换、延时、读取A/D数据、结果修正、存放结果，在所有通道转换完进入开始。